核磁共振谱的原理
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发布时间：2022-04-23 18:56
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时间：2023-09-15 08:24
香草醛的核磁共振谱
根据量子力学原理，与电子一样，原子核也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I决定，原子核的自旋量子数I由如下法则确定：
1）中子数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；
2）中子数加质子数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数（如，1/2, 3/2, 5/2)；
3）中子数为奇数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数（如，1, 2, 3）。
迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会产生一个磁矩。这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。进动频率又称Larmor频率：
υ=γB/2π
γ为磁旋比，B是外加磁场的强度。磁旋比γ是一个基本的核常数。可见，原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在已知强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，自旋量子数为I的核在外加磁场中有2I+1个不同的取向，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。这些能级的能量为：
E= -γhmB/2π
式中，h是Planck常数（普朗克常数）（6.626x10-34）；m 是磁量子数，取值范围从-I到+I，即m= -I, -I+1, … I-1, I。
当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。根据选择定则，能级的跃迁只能发生在Δm=±1之间，即在相邻的两个能级间跃迁。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。根据量子力学，跃迁所需要的能量变化：
ΔE=γhB/2π
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，即入射光子的频率与Larmor频率γ相符时，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。
仪器
核磁共振谱仪
核磁共振谱
有两大类：高分辨核磁共振谱仪和宽谱线核磁共振谱仪。高分辨核磁共振谱仪只能测液体样品，谱线宽度可小于1赫，主要用于有机分析。宽谱线核磁共振谱仪可直接测量固体样品，谱线宽度达10赫,在物理学领域用得较多。高分辨核磁共振谱仪使用普遍，通常所说的核磁共振谱仪即指高分辨谱仪。
按谱仪的工作方式可分连续波核磁共振谱仪（普通谱仪）和傅里叶变换核磁共振谱仪。连续波核磁共振谱仪（图1）是改变磁场或频率记谱，按这种方式测谱，对同位素丰度低的核，如C等，必须多次累加才能获得可观察的信号，很费时间。
傅里叶变换核磁共振谱仪（图2），用一定宽度的强而短的射频脉冲辐射样品，样品中所有被观察的核同时被激发，并产生一响应函数，它经计算机进行傅里叶变换，仍得到普通的核磁共振谱。傅里叶变换仪每发射脉冲一次即相当于连续波的一次测量，因而测量时间大大缩短。
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时间：2023-09-15 08:24
根据量子力学原理，与电子一样，原子核也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数I决定，原子核的自旋量子数I由如下法则确定：
1）中子数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；
2）中子数加质子数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数（如，1/2, 3/2, 5/2)；
3）中子数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数（如， 1, 2, 3）。
迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会产生一个磁矩。这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。进动频率又称Larmor频率：
υ=γB/2π
γ为磁旋比，B是外加磁场的强度。磁旋比γ是一个基本的核常数。可见，原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在已知强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。
原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，自旋量子数为I的核在外加磁场中有2I+1个不同的取向，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。这些能级的能量为：
E= -γhmB/2π
式中，h是Planck常数（普朗克常数）（6.626x10-34）；m 是磁量子数，取值范围从-I到+I，即m= -I, -I+1, … I-1, I。
当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。根据选择定则，能级的跃迁只能发生在Δm=±1之间，即在相邻的两个能级间跃迁。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。根据量子力学，跃迁所需要的能量变化：
ΔE=γhB/2π
为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，即入射光子的频率与Larmor频率γ相符时，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。
核磁共振现象于1946年由E.M.珀塞耳和F.布洛赫等人发现。目前核磁共振迅速发展成 为测定有机化合物结构的有力工具。目前核磁共振与其他仪器配合，已鉴定了十几万种化合物。70年代以来，使用强磁场超导核磁共振仪,大大提高了仪器灵敏度,在生物学领域的应用迅速扩展。脉冲傅里叶变换核磁共振仪使得13C、15N等的核磁共振得到了广泛应用。计算机解谱技术使复杂谱图的分析成为可能。测量固体样品的高分辨技术则是尚待解决的重大课题。
应用：
核磁共振是有机化合物结构鉴定的一个重要手段,一般根据化学位移鉴定基团；由耦合*峰数、偶合常数确定基团联结关系；根据各H峰积分面积定出各基团质子比。核磁共振谱可用于化学动力学方面的研究，如分子内旋转，化学交换等，因为它们都影响核外化学环境的状况，从而谱图上都应有所反映。核磁共振还用于研究聚合反应机理和高聚物序列结构。
H谱、C谱是应用量广泛的核磁共振谱（见质子磁共振谱），较常用的还有F、P、N等核磁共振谱。
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时间：2023-09-15 08:25
原子核的自旋。
核磁共振主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，可以用核的自旋量子数I来表示。自旋量子数与原子的质量数和原子序数之间存在一定的关系。
原子核是带正电荷的粒子，不能自旋的核没有磁矩，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩（μ）。当自旋核（spinnuclear）处于磁感应强度为B0的外磁场中时，除自旋外，还会绕B0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相像，称为拉莫尔进动（larmorprocess）。
自旋核进动的角速度ω0与外磁场感应强度B0成正比，比例常数即为磁旋比（magnetogyricratio)γ。式中ν0是进动频率。
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扩展资料：
核磁共振原理主要是由原子核的自旋运动引起的。不同的原子核，自旋运动的情况不同，它们可以用核的自旋量子数I来表示。
观察到的人体内H质子运动的一个成像，做检查的时候，被检查者会在一个大的磁体内，就是大的圆筒之内，通过射频的激发，人体内的不同器官的H质子有不同的活动状况。
产生的射频脉冲，在经过线圈的吸收产生图像，所以磁共振的成像其实是人体内H质子的成像。有心脏起搏器的植入的患者、发烧的患者、贴膏药的患者禁止做磁共振。
参考资料来源：/ke.baidu.com/item/%E6%A0%B8%E7%A3%81%E5%85%B1%E6%8C%AF%E5%8E%9F%E7%90%86/999659?fr=aladdin"target="_blank"title="百度百科——核磁共振原理">百度百科——核磁共振原理
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时间：2023-09-15 08:25
核磁共振的原理是什么
